1.5 冷挤压过程中产生的现象
1.5.1 加工硬化
金属材料在低于再结晶温度以下，进行冷挤压变形时，随着变形程度的增加，所有的强度指标（弹性极限、比例极限、蠕变强度及抗拉强度等）以及硬度不断地提高，塑性指标（伸长率、断面收缩率及冲击韧度等）相应地降低，这种现象称为加工硬化或形变硬化、冷作硬化。特征表现是：如要继续进行塑性变形，应力必须提高。
冷挤压就是利用“加工硬化”来强化金属的，这是冷挤压加工越来越得到广泛应用的原因之一。加工硬化与合金化、热处理一样，都是改变金属性质的重要方法，特别是对那些采用热处理方法无法使其强化的无相变的金属材料，加工硬化就成了唯一的强化手段。
1.影响加工硬化的因素
（1）基体元素的晶格类型 构成金属的基体元素不同，对冷挤压加工硬化敏感性有很大差别。图1-45所示为不同金属的应力与相对应变的关系。图1-45中曲线斜率可以表示金属形变硬化能力的大小。由该图可知，Ni的加工硬化敏感性最大，Al最小，Fe、Cu居中。
面心立方晶格金属的加工硬化能力比其他晶格金属大，而以密排六方晶格金属的形变硬化能力为最小。其原因在于：加工硬化是由于晶格结构规则性的破坏所引起的，塑性变形时，晶体点阵会发生畸变，畸变的晶体点阵表现有较大的变形阻力，而阻力大小又取决于畸变的程度。面心立方晶格金属具有较多的滑移系，塑性变形可同时在几个滑移系中进行，产生各种位错割阶，使位错继续移动的阻力增加；位错相交割后不能移动的位错还会造成位错塞积，这样就增加了晶格的畸变程度，因此加工硬化能力表现最大。
图1-45 几种金属的应力与相对应变关系
（2）固溶体合金化浓度 固溶体合金化在一定浓度范围内，随浓度增加，加工硬化也增加；当达到某一浓度以后，再增加合金浓度，加工硬化增加不大。图1-46所示为各种碳钢的应力与相对应变关系。从图1-45中曲线斜率可知，由Fe变成w（C）为0.1%的碳钢时，加工硬化能力提高很大；再进一步增加碳含量时，加工硬化虽有增加，但不明显。原因在于：固溶体合金化会发生点阵畸变。低浓度时，畸变程度随固溶体浓度的增加而增加，但由于点阵畸变有一定极限的畸变度存在，因此，当固溶体合金化浓度较大时，合金化已使点阵发生了较大的畸变，甚至接近了点阵畸变的极限程度，此时变形对畸变的进一步增加的作用就表现得很弱，也就是说对加工硬化的作用相对较小。
图1-46 各种碳钢的应力与相对应变关系
（3）变形速度 同一种金属加工硬化随变形速度的增加而增加，如图1-47所示。这是由于较大变形速度下的变形会同时沿着几个平面滑移，这样就使点阵的畸变程度增加了，从而使加工硬化也相应增加。
必须指出，在不同变形温度下加工硬化的影响也不同。如在冷挤压变形情况下，其影响程度就显得不大，这是由于很高的变形速度会引起显著的温度效应，这样就降低了加工硬化程度。
（4）变形温度 变形温度升高，加工硬化总是减弱的。图1-48为各种不同温度下，纯铝的应力与应变的关系曲线。由该图可知，随变形温度的升高，纯铝的硬化能力逐渐减小，这是由于变形的加工硬化被加热软化所消除的缘故。
图1-47 变形速度对硬化强度的影响
图1-48 不同温度下纯铝的应力与应变曲线
2.加工硬化的位错解释
冷挤压加工时，金属的变形主要是以滑移方式进行的，而滑移又都是通过位错运动进行的。一切阻碍位错移动的因素都会使滑移阻力增加，从而使金属晶体的变形抗力增大。
在滑移过程中，移动着的位错受到某些结构缺陷，如晶界、亚晶界等的阻碍而停留在晶体内部。由于同号位错之间存在着斥力，紧跟这个被阻位错移动过来的一系列同号位错将因受到斥力而在它后面堆积起来。堆积下来的同号位错越来越多，它们受到的斥力越来越大，最后，不但这些位错线不能再继续前进，而且位错的增殖过程也要停止。这种现象称为位错塞积。
显然，无论是位错塞积还是位错割阶，均会引起变形抗力的增加，也就是说金属晶体在塑性变形过程中会发生加工硬化现象。
1.5.2 热效应
1.热效应的产生及影响因素
在冷挤压变形过程中，消耗于塑性变形功的一部分能量变成了热能。当变形速度较大时，特别是在高速挤压的情况下，热量来不及散失，被挤毛坯的温度就会明显升高，从而使其强度降低，塑性升高。这种现象称为热效应。
由于热效应的作用而引起温度的升高与下述因素有关。
（1）材料种类 被挤材料种类不同，温升也不一样。例如，冷挤压外径为φ17mm的管子，变形程度εF=80%～95%，挤压速度为470mm/s，当采用不同材料冷挤压试验时，其温升情况分别为：纯铝为180～200°C；纯铜为320～380°C；黄铜为340～400°C；10、15钢为360～410°C。
（2）挤压速度 此处的挤压速度v是指压力机滑块的运动速度，其单位为mm/s，它与应变速度
是不同的。应变速度
是指单位时间内的相对压下量，单位为1/s。但两者是有联系的。例如，压力机滑块的运动速度为v，在Δt时间内将高度为H的毛坯压下ΔH，则此时的v=ΔH/Δt，而应变速度为
挤压速度不同，温升也是不一样的。当采用曲柄压力机进行冷挤压时，挤压件的温升较高，不能用手去拿刚挤好的零件；而采用一般的液压机挤压相同材料的零件时，温升就较低，有时可以用手去拿刚挤压好的零件。
2.热效应的作用
热效应的作用可以使被挤毛坯的温度升高。因此，我们通常所说的冷挤压加工，并不真正是在室温中进行的，而是在某一温度下进行的。
热效应的作用可以使材料的变形能力得到改善，这对于冷挤压一些低塑性金属，形状比较复杂的零件，更有重要的实际意义。
为了更好地利用热效应，应特别注意热效应的作用对金属材料变形能力的影响。如何判断由于热效应的作用而使材料的温度升高，从而产生对材料变形能力的影响呢？通常是根据金属材料的塑性图来判断的。图1-49所示为碳钢的塑性图。图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别表示塑性降低区域，1、2、3表示塑性升高区域。由该图可以看出，冷挤压碳钢最好在区域1（约200°C）进行，在此温度下的原子热振动较室温剧烈得多，因此塑性较高。如果热效应的作用正好使温升至塑性降低区域Ⅱ，此区称为“蓝脆区”。在该区内产生的某些夹杂物如氧化铁等以沉淀的形式析出，存在于晶界上，会使塑性下降。因此，冷挤压加工应避免在“蓝脆区”内进行。
图1-49 碳钢的塑性图
从上述分析可以看出，热效应的作用可以减少变形抗力，提高塑性，这是好的一面，但也要注意它可能带来不利的一面。
1.5.3 附加应力
在金属塑性变形过程中，变形金属内部除了存在着与压力机所作用的外力相应的基本应力以外，还存在着由于毛坯内各层的不均匀变形受到变形体整体性的限制，而引起的变形金属内部各部分自相平衡的应力。这种应力称为附加应力。
冷挤压时，同样也会产生附加应力。图1-50所示为正挤压时产生的附加应力。此时产生附加应力的原因是：由于凹模内壁与变形金属之间存在着摩擦阻力，使得中心部分金属材料的流动速度大于外层金属的流动速度。但由于内外层金属是一个整体，流动快的金属力图使流动慢的金属快些流动，流动慢的金属又力图使流动快的金属慢些流动。这样便产生了自相平衡、相互牵制的应力，这就是附加应力。外层金属的附加应力是拉应力，习惯上称为“+”应力；与此相反，中层金属的附加应力是压应力，习惯上称为“-”应力。
就正挤压的基本应力来说，都是压应力。但由于摩擦力的作用，使金属流动产生了不均匀分布，从而在金属外层产生了不利于塑性变形的附加拉应力，如图1-51所示。该图定性表示了某截面上的基本应力、附加应力和工作应力的分布情况。所谓工作应力是指基本应力与附加应力的代数和。当润滑恶劣时，这个附加应力可能达到很大的数值；当被挤材料塑性较差时，该附加拉应力能使工件产生严重开裂。
图1-50 正挤压时产生的附加应力
图1-51 正挤压时毛坯某截面上的应力分布情况
a）附加应力较小时 b）附加应力较大时
基本应力 —·—·—附加应力 -----工作应力 di—变形区某截面直径
从以上分析可知，附加应力是由于材料各部分变形不均而产生的，而冷挤压时的变形又往往是不均匀的，因此产生附加应力是不可避免的。
冷挤压中产生不均匀变形的主要原因有下面几点。
（1）变形金属与模具之间存在着摩擦力 由于模壁摩擦阻力的作用引起内外层金属流动不均匀，从而产生相互牵制的附加应力。
（2）各部分金属流动阻力不一致 例如，反挤压杯形件时，由于模具对中不好，往往会造成凸凹模间隙不均匀。由最小阻力定律可知，间隙小的阻力较大，间隙大的阻力较小。这就会引起金属流动不均匀，从而产生相互牵制的附加应力。
（3）变形金属的组织结构不均匀 变形金属的组织结构往往是不均匀的，例如晶粒尺寸有大有小，方位也不相同。不同的组织结构往往会引起不均匀变形，从而产生相互牵制的附加应力。
图1-52 凹模工作带尺寸不一致所产生的附加应力
（4）模具工作部分的形状与尺寸不合理 如图1-52所示，在正挤压过程中，如果凹模的工作带高度尺寸不一致，那么在工作带较高的一边h2处的金属流动速度将慢于较矮的一边h1处。这样挤压件便产生弯曲。因此，在挤压件内部将产生相互牵制的附加应力。
附加应力习惯上可分为三种：在变形体中，为了平衡几个大的部分之间由于不均匀变形而产生的应力，称为第一种附加应力；为了平衡两个或两个以上晶粒之间由于变形不均匀分布所产生的应力，称为第二种附加应力；为了平衡一个晶粒内部由于各部分之间的不均匀变形而产生的应力，称为第三种附加应力。
1.5.4 残余应力
引起塑性变形的作用力取消之后，仅基本应力随之消失。附加应力不是由外力引起的，而是为了自身得到平衡引起的。因此，当外力取消以后，附加应力并不消失而残留在变形体内部成为残余应力。与附加应力相同，残余应力也是互相平衡的。与三种附加应力相对应，残余应力也可分为第一种、第二种、第三种残余应力。
在一般情况下，附加应力和残余应力不是我们所希望的，都是有害的。
（1）缩短挤压件的使用寿命 若使具有残余应力的挤压件承受载荷，则其内部作用的应力为外力所引起的基本应力与残余应力之和，也可为二者之差，因此引起物体内应力的分布不均匀。显然，当合成的应力数值超过零件材料的许用值时，则该零件就会产生变形或开裂，从而缩短了使用寿命。
（2）引起挤压件尺寸及形状的变化 在挤压件内部作用着相互平衡的残余应力，表明在各部分存在不同的弹性变形和晶格畸变。当残余应力消失或平衡受到破坏后，相应的物体各部分的弹性变形也发生了变化，从而会引起物体尺寸的改变，有时还可能发生挤压件形状歪扭、弯曲等不良情形。
（3）降低金属的耐蚀性 当挤压件的表层具有残余应力时，会降低其耐蚀性，甚至很快就被破坏。此外，残余应力还会使金属的塑性、冲击韧度及疲劳强度等降低。
由上述分析可见，挤压件内部存在残余应力将会引起许多不良后果，特别是表层有残余拉应力时危害性更大，因此，必须尽量设法消除残余应力。在冷挤压加工时，防止或减轻产生残余应力的措施，主要是从消除或少产生不均匀变形的根源入手。其主要措施有：
1）采用良好的润滑剂，以减少因摩擦阻力而引起的不均匀变形。
2）合理设计模具工作部分的结构、形状和尺寸，以保证挤压件的变形与应力的分布较为均匀。
3）采用均匀的组织结构，尽可能在晶粒大小均匀的状态下变形。
4）冷挤压后采用有效的热处理方法以消除残余应力。
实践证明，第一种残余应力用低温回火方法就可大大减小；第二种残余应力在稍低于再结晶温度下可以完全消除；而第三种残余应力，只有经过再结晶使晶格完全恢复到原来的形状后才能消除。